Fervo puede ser la primera empresa del mundo en combinar almacenamiento y flexibilidad de generación eléctrica en una planta de geotermia estimulada.
Si la planta piloto de Nevada funcionara a escala comercial el relevo a la eólica y solar en sus horas bajas resultaría mucho más fácil y barato
James Temple/MIT technologyreview.- A finales de enero, una empresa emergente de energía geotérmica comenzó a realizar un experimento en las profundidades del desierto del norte de Nevada. Bombeó agua a miles de metros bajo tierra y la mantuvo allí, observando lo que sucedería.
Las plantas de energía geotérmica funcionan haciendo circular agua a través de rocas calientes en las profundidades de la tierra. En la mayoría de las plantas modernas, brota en la boca de un pozo, donde está lo suficientemente caliente como para convertir los refrigerantes u otros fluidos en vapor ya en la superficie, que hace girar una turbina y genera electricidad.
Pero Fervo Energy, con sede en Houston, está probando un nuevo enfoque a esta tecnología para obtener información adicional.
Las lecturas de los manómetros colocados pozos gemelos de la compañía han demostrado que la presión se acumula rápidamente, ya que el agua que no tenía adónde ir en realidad fraccionaba la roca. Cuando abrían la válvula, la salida de agua aumentaba y continuaba bombeando a niveles superiores a lo normal durante horas.
Los resultados de los experimentos iniciales, recogidos en exclusiva por MIT Technology Review, sugieren que Fervo puede crear plantas de energía geotérmica flexibles, capaces de aumentar o disminuir la producción de electricidad a demanda. Pero más importante aún es que, potencialmente, el sistema puede almacenar energía durante horas o incluso días y devolverla durante períodos similares, actuando efectivamente como una batería gigante y duradera. Eso significa que las plantas podrían suspender la producción cuando los parques solares y eólicos estén operativos y producir electricidad limpia cuando esas fuentes decaigan.
¿Hasta qué punto esa capacidad de disponibilidad y seguridad de producción se generará a gran escala? Si Fervo puede construir plantas comerciales con esta funcionalidad adicional, llenará un vacío crítico en las redes actuales, haciendo que sea más barato y más fácil eliminar las emisiones de gases de efecto invernadero de los sistemas eléctricos.
“Sabemos que generar y vender energía geotérmica tradicional es increíblemente valioso para la red”, dice Tim Latimer, director ejecutivo y cofundador de Fervo. “Pero a medida que pasa el tiempo, nuestra capacidad de aumentar, disminuir y almacenar energía incrementará nuestras posibilidades”.
Autopista geotérmica
A principios de febrero, Latimer nos llevó a un colega de Fervo y a mí desde el aeropuerto de Reno hasta las instalaciones de la empresa. “Bienvenidos a la Autopista Geotérmica”, dijo desde el volante de una camioneta de la empresa, mientras pasábamos por la primera de varias plantas geotérmicas a lo largo de la Interestatal 80. La carretera atraviesa el desierto de Nevada, con sus valles paralelos y cadenas montañosas formadas por placas tectónicas.
La corteza terrestre se estiró, adelgazó y se rompió en bloques que se inclinaron, formando montañas mientras se llenaban y aplanaban las cuencas con sedimentos y agua, tal como John McPhee lo describió memorablemente en su libro de 1981, Basin and Range. Desde una perspectiva geotérmica, lo que importa es que todo este estiramiento e inclinación generó rocas calientes relativamente cerca de la superficie.
Hay mucho que admirar de la energía geotérmica: ofrece una fuente virtualmente ilimitada y siempre disponible de calor y electricidad sin emisiones. Si Estados Unidos pudiera capturar solo el 2% de la energía térmica disponible entre 3.000 y 10.000 metros de profundidad, podría producir más de 2,000 veces el consumo total anual de energía de la nación.
Pero debido a las restricciones geológicas, los altos costos de capital y otros desafíos, apenas lo usamos: hoy representa el 0,4% de la generación de electricidad de los Estados unidos.
Hasta la fecha, los desarrolladores de plantas de energía geotérmica han podido aprovechar en gran medida los lugares más prometedores y económicos, como éste tramo de Nevada. Necesitaban poder perforar rocas calientes, permeables y porosas a profundidades relativamente bajas. La permeabilidad de la roca es esencial para permitir que el agua se mueva entre dos pozos artificiales en dicho sistema, pero también es la característica que a menudo falta en áreas favorables.
A principios de la década de 1970, los investigadores del Laboratorio Nacional de Los Alamos comenzaron a demostrar que podíamos diseñar un modelo para sortear esa limitación. Descubrieron que mediante el uso de técnicas de fracturación hidráulica similares a las que ahora se emplean en la industria del petróleo y el gas, podían crear o ensanchar grietas dentro de rocas relativamente sólidas y muy calientes. Luego podrían agregar agua, diseñando radiadores a gran profundidad bajo tierra.
Un sistema geotérmico “estimulado” de este tipo funciona básicamente como cualquier otro, pero abre la posibilidad de construir plantas de energía en lugares donde la roca aún no es lo suficientemente permeable para permitir que el agua caliente circule fácilmente. Los investigadores han argumentado durante décadas que si reducimos el costo de tales técnicas, se desbloquearán grandes extensiones nuevas del planeta para el desarrollo geotérmico.
Un destacado estudio del MIT en 2006 estimó que, con una inversión de mil millones de dólares durante 15 años, las plantas geotérmicas estimuladas podrían producir 100 gigavatios de nueva capacidad en la red para 2050, poniéndolas en la misma liga que las fuentes renovables más populares. (En comparación, se han instalado alrededor de 135 gigavatios de capacidad solar y 140 gigavatios de energía eólica en los EE. UU.).
“Si podemos descubrir cómo extraer el calor de la tierra en lugares donde ya no hay un sistema geotérmico circulante natural, entonces tendremos acceso a un recurso realmente enorme”, dice Susan Petty, colaboradora de ese informe y fundadora de Seattle AltaRock Energy en Seattle, una de las primeras empresas en desarrollar la geotermia estimulada.
Estados Unidos no ha invertido lo suficiente durante el período de tiempo estudiado en el informe. Pero ha hecho de la geotermia estimulada una prioridad creciente en los últimos años.
Los primeros esfuerzos federales importantes comenzaron alrededor de 2015 , cuando el Departamento de Energía (DOE) anunció planes para el laboratorio Frontier Observatory for Research in Geothermal Energy. La perforación en el emplazamiento FORGE en Utah, cerca de Milford, comenzó en 2016. El laboratorio de investigación ha recibido unos 220 millones de dólares en fondos federales hasta la fecha. Más recientemente, el DOE ha anunciado planes para invertir decenas de millones de dólares adicionales a través de su iniciativa Enhanced Geothermal Shot .
Pero apenas hay un pequeño puñado de sistemas geotérmicos estimulados que operan comercialmente en la actualidad.
La apuesta de Fervo
Latimer leyó el informe del MIT mientras trabajaba en Texas como ingeniero de perforación para BHP, una compañía minera de metales, petróleo y gas, en un momento en que estaba preocupado por el cambio climático. A partir de su propio trabajo, estaba convencido de que la industria del fracking de gas natural ya había resuelto algunos de los desafíos técnicos y económicos destacados en el informe.
Latimer renunció a su trabajo y fue a la Escuela de Negocios de Stanford, con el objetivo de crear una empresa geotérmica. Pronto conoció a Jack Norbeck, que estaba terminando su tesis doctoral allí. Incluía un capítulo enfocado en el modelado aplicado de los hallazgos de Los Álamos.
La pareja cofundó Fervo en 2017. Desde entonces, la compañía ha recaudado casi 180 millones de dólares del fondo de capital riesgo Breakthrough Energy Ventures, de Bill Gates, DCVC, Capricorn Investment Group y otros. También anunció varios acuerdos comerciales de compra de energía para futuros proyectos geotérmicos estimulados, incluida una planta de cinco megavatios en Nevada que ayudará a impulsar las operaciones de Google en el estado.
Fervo ha firmado contratos para proporcionar un flujo constante de electricidad libre de carbono, al margen de sus exploraciones en geotermia flexible. Pero casi desde el principio, las empresas de servicios públicos y otros clientes potenciales le han trasladado que necesitan energías limpia para cumplir con las regulaciones climáticas cada vez más estrictas y equilibrar la creciente participación de energía eólica y solar variable en las redes.
“Si podemos encontrar una manera de resolver esto”, dice Norbeck, él y Latimer “podríamos cambiar el mundo”.
Fervo comenzó a explorar si podían hacerlo aprovechando otra característica de los sistemas geotérmicos estimulados, que los investigadores de Los Álamos también habían destacado en experimentos posteriores.
Crear fracturas en rocas con baja permeabilidad significa que el agua no puede filtrarse fácilmente a otras áreas. En consecuencia, si cierran los pozos y se continúa bombeando agua, se acumula presión mecánica dentro del sistema, a medida que las secciones de roca fracturada empujan contra la tierra.
“Las fracturas pueden dilatarse y cambiar de forma, casi como globos”, dice Norbeck.
Esa presión puede ser utilizada. En una serie de experimentos modelados, Fervo encontró que una vez que la válvula se abría nuevamente, esos globos se desinflaban efectivamente, el flujo de agua aumentaba, así como la generación de electricidad. Si lo “cargaran” durante días, agregando agua pero sin dejarla salir, podría generar electricidad durante días. Pero Fervo necesitaba comprobar si los modelos podían funcionar en el mundo real.
Pruebas concluyentes
Después de cruzar el condado de Humboldt en Nevada, Latimer finalmente se metió por un camino de tierra. La planta de Fervo se divisa a distancia como una plataforma de perforación blanca, elevándose 46 metros sobre el desierto marrón. La geología bajo este tramo particular de tierra despliega rocas calientes a poca profundidad, pero sin la permeabilidad necesaria para las plantas tradicionales.
En 2022, la compañía perforó pozos gemelos, utilizando una broca de corte fijo de casi 26 centímetros para triturar lentamente formaciones metasedimentarias y de granito mixtas. Los pozos se duplican gradualmente bajo tierra, y finalmente se sumergen unos 2.438 metros de profundidad y alrededor de 1.200 metros horizontales. Fervo inyectó agua fría a alta presión para provocar cientos de fracturas verticales, formando efectivamente un radiador subterráneo gigante en medio de la roca que alcanza casi los 193 ˚C.
Alrededor de las 8 de la mañana del 28 de enero pasado, la compañía cerró la válvula del pozo de producción, donde normalmente saldría el agua, comenzando las primeras pruebas de lo que llama Fervo Flex. La presión se disparó a varios cientos de libras por pulgada cuadrada y siguió aumentando gradualmente durante las siguientes 10 horas más o menos.
Norbeck estaba parado cerca de ese pozo cuando lo abrieron de nuevo alrededor de las 7 de la tarde. Su ojo se fijó en el indicador de burbuja de una gran caja amarilla, una herramienta simple y probada para medir tasas de flujo. El agua caliente produjo un destello de vapor cuando escapó al aire libre y las lecturas alcanzaron su punto máximo.
Los empleados de Fervo continuaron con las pruebas durante días, cerrando el pozo durante ocho a diez horas y volviéndolo a abrir durante 14 o más, operándolo como lo harían en una red con abundante energía solar durante el día. En la mañana de nuestra visita, la empresa estuvo varios días operando el sistema sin bombear más agua, para comprobar cuánto tiempo podría durar el almacenamiento de energía.
Fervo puede ser la primera empresa en combinar almacenamiento y flexibilidad de generación eléctrica en una planta de geotermia estimulada. La división ARPA-E del Departamento de Energía ha destinado 4,5 millones de dólares a estos experimentos.
Dentro de la caseta de seguridad, Latimer abrió un portátil y comenzó a hacer clic en una presentación. El conjunto de gráficos mostró una serie de curvas suaves y picos a medida que aumentaba la presión y la producción se disparaba en cada una de las pruebas. Luego hizo clic en una página que mostraba los resultados anteriores de los modelos, que más o menos reflejaban los resultados.
“Funciona”, dijo Latimer, los modelos funcionaron”.
Valor a la red
El principal desafío en la creación de un sector energético libre de carbono es que la electricidad generada por los parques eólicos y solares fluctúa drásticamente a lo largo del día y del año.
Esto implica desafíos cada vez mayores a medida que las energías renovables dominen las redes eléctricas. Los estudios arrojan que los costes totales del sistema comienzan a aumentar considerablemente a medida que las energías renovables superan aproximadamente el 80 % de la generación, a menos que existan fuentes importantes de electricidad libre de carbono que puedan funcionar bajo demanda, formas más económicas de almacenamiento de energía de larga duración y otras soluciones técnicas.
Esto se debe a que puede haber períodos prolongados del año en los que la energía solar, eólica y otras fuentes fluctuantes no proporcionan suficiente energía para que todo funcione durante el día o la noche. Las redes regionales que dependen casi por completo de esos recursos a menudo tendrían que agregar bancos masivos de baterías caras y de vida relativamente corta, así como más plantas de energías renovables para cargarlas, solo para mantener las luces encendidas durante esos tramos.
Una planta de energía geotérmica que puede aumentar o reducir la producción y reemplazar las energías renovables menguantes durante horas o días, promete abordar esos desafíos, proporcionando un recurso muy valioso para unas redes que se están volviendo cada vez más ecológicas.
“Las innovaciones tecnológicas que estamos demostrando permitirían fácilmente que la geotermia cumpliera ese papel del 20 %”, sostiene Latimer.
El año pasado, investigadores de Princeton, en colaboración con Fervo, realizaron una serie de simulaciones de redes eléctricas libres de carbono en el oeste de los Estados Unidos hacia 2045, explorando qué conjuntos de tecnologías serían más atractivos para las versiones de menor costo de tales sistemas.
Al agregar la flexibilidad de generación de Fervo hizo que la geotermia fuera una opción mucho más atractiva. Hoy en día, solo hay unos cuatro gigavatios de energía geotérmica en los Estados Unidos. Pero el modelo agrega para escenarios futuros entre 25 y 74 gigavatios de capacidad geotérmica flexible a sus redes libres de carbono, en comparación con solo hasta 28 gigavatios cuando las plantas geotérmicas no podían operar de esa manera. La capacidad adicional de esas instalaciones también redujo los costos totales del sistema de red hasta en un 10%.
«Si podemos hacer que funcione… podría ser un gran negocio», dice Wilson Ricks, investigador de sistemas de energía de Princeton y autor principal del documento de trabajo.
Estas características también deberían aumentar el valor económico y las ganancias de las propias plantas geotérmicas, haciéndolas potencialmente más fáciles de financiar.
Otras compañías descubrieron hace mucho tiempo formas de reducir la producción, pero no tiene mucho sentido financiero hacerlo: si cierras la planta no ingresas.
Sin embargo, en el caso de Fervo, estas instalaciones podrían reducir la producción durante los períodos en que la energía solar o eólica decaen el precio mayorista de la electricidad, y funcionar más de lo normal cuando esas fuentes disminuyen y los precios aumentan, dice Latimer.
Preguntas abiertas
A Fervo le quedan algunos desafíos importantes.
Aunque todo funcione en los modelos y en las pruebas de campo, hacer que los números funcionen para las plantas comerciales podría requerir cambios significativos en las reglas del mercado eléctrico y los acuerdos de compra de energía. Las estructuras existentes en la actualidad todavía recompensan en gran medida a los operadores por arrancar a su máxima capacidad en cualquier momento.
La empresa también tendrá que demostrar que estas capacidades de almacenamiento puedan funcionar continuamente en plantas comerciales a gran escala que operan en una variedad de regiones y geologías.
Mientras tanto, quedan algunas preguntas importantes sobre la geotermia estimulada como concepto básico, dejando de lado las características adicionales que Fervo explora.
El proyecto sufrió un duro golpe en 2009, cuando una planta en Basilea, Suiza, pareció desencadenar una serie de pequeños sismos, incluido uno de magnitud 3,4, que supuestamente causó varios millones de dólares en daños.
Ha habido avances significativos desde entonces en la elección de los emplazamientos, el diseño de pozos y otras prácticas que minimizan la posibilidad de inducir eventos sísmicos considerables, dice Joseph Moore, el investigador principal gerente de Utah FORGE. Las características adicionales de almacenamiento y flexibilidad que Fervo está explorando no deberían presentar riesgos adicionales de este tipo, agrega.
Pero la sismicidad inducida sigue siendo un problema que debe manejarse con cuidado y monitorearse continuamente, porque genera inquietud entre las comunidades donde se plantean estos proyectos.
Además, tampoco ha habido muchos proyectos geotérmicos de este tipo. Sigue siendo difícil o costoso crear de manera confiable suficientes fracturas y caminos para garantizar las tasas de flujo necesarias en ciertos casos y emplazamientos, dice Travis McLing, líder del programa geotérmico en el Laboratorio Nacional de Idaho.
Además, los sistemas podrían perder permeabilidad con el tiempo a medida que emergen microorganismos en los pozos, se forman minerales en las fracturas y ocurren otros cambios. Eso podría reducir la producción y socavar la economía, dice McLing. “Mi mayor preocupación es la sostenibilidad de los almacenamientos”, escribió en un correo electrónico.
‘Fundamentos básicos’
Latimer también enfatiza que la planta ha logrado mejoras significativas en la comprensión de los riesgos sísmicos y el desarrollo de prácticas que minimizan las probabilidades de inducir terremotos significativos.
Eso incluye la perforación horizontal a través de múltiples zonas geológicas para promediar los cambios de presión en áreas más amplias, como lo ha hecho Fervo en Nevada. La compañía también está asociada con el Servicio Geológico para monitorear de cerca la sismicidad y evaluar otras técnicas desarrolladas para reducir aún más tales riesgos.
El plan comercial de Fervo se centra principalmente en producir un flujo constante de electricidad limpia. La planta de Nevada comenzará a entregar precisamente eso a Google y otros clientes a finales de este año.
Pero Latimer y Norbeck creen que las características de flexibilidad y almacenamiento serán una ventaja económica además de las principales ventajas de los sistemas geotérmicos estimulados, y que los resultados iniciales de la planta muestran que vale la pena continuar explorando el potencial.
“Los fundamentos básicos están ahí”, dice Norbeck. “Ahora todo se orienta a optimizar la tecnología y reducir los costes. Pero la física está validada y el concepto funciona”.
(Artículo publicado el 7 de marzo de 2023 en la revista del Instituto tecnológico de Masachusets MIT)